CN101560937A - 应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机座环 - Google Patents

应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机座环 Download PDF

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Abstract

一种应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机座环，它主要由上环板(1)、下环板(3)和安装在上环板(1)与下环板(3)之间的导叶(2)组成，其特征是所述的导叶(2)为负曲率导叶，所述负曲率导叶(2)的高度为其进水边直径D1的0.07～0.09倍，长度L为其进水边直径D1的0.16～0.2倍；所述的负曲率导叶(2)出水边直径D2为其进水边直径D1的0.75～0.95倍；所述上环板(1)与下环板(3)外圆直径D3均为所述负曲率导叶(2)进水边直径D1的1.0～1.25倍，上环板(1)与下环板(3)内圆直径D4为所述负曲率导叶(2)进水边直径D1的0.7～0.9倍。本发明具有结构简单，设计计算方便，有利于提高水轮机的能量转换效率。

Description

应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机座环
技术领域
本发明涉及一种冷却塔，尤其是一种冷却塔驱动用水轮机的进水座环，具体地说是一种不带减速箱，通过合理设计进水座环导叶和叶轮使水轮机的输出转速为风机转速额定值从而省去传统反击式水轮机使用的减速箱的应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机座环。
背景技术
众所周知，为了实现节能的目的，现有的空调冷却塔已开始使用水轮机对冷却风扇进行驱动，它充分利用了冷却塔循环水流的能量将其转化为水轮机的驱动力，通过水轮机将水能转变成旋转机械能用于驱动冷却风扇，省去了传统的大功率冷却电机，节能效果十分显著。
据申请人所知，目前的反击式水轮机由于转速过快，均需要通过一个减速机将水轮机的输出转速降至合理的转速值以驱动风叶转动，实现对循环水的冷却。由于减速箱的工作条件较差，因此不仅噪音大，而且寿命短，很容易发生故障，同时由于该减速箱为大型减速箱，因此也相应地提高了制造成本。
因此如果能通过合理的设计取消减速箱则能很好的解决上述问题，申请人通过大量计算分析认为，只要合理地设计水轮机的进水座环及叶轮的形状和尺寸就可将水轮机的输出转速控制在希望的范围之内。因此设计一种能符合水动冷却塔的水轮机低转速要求的座环是当务之急，是实现冷却塔水轮机无齿轮传动的关键。
发明内容
本发明的目的是针对现有的冷却塔反击式水轮机的输出轴需要通过减速箱才能驱动风叶的而造成噪音大、易发生故障及制造成本高的问题，设计一种应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机座环，从而为最终省去齿轮减速传动机构奠定基础。
本发明的技术方案是：
一种应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机座环，它主要由上环板1、下环板3和安装在上环板1与下环板3之间的导叶2组成，其特征是所述的导叶2为负曲率导叶，所述负曲率导叶2的高度为其进水边直径D1的0.07～0.09倍，长度L为其进水边直径D1的0.16～0.2倍；所述的负曲率导叶2出水边直径D2为其进水边直径D1的0.75～0.95倍；所述上环板1与下环板3外圆直径D3均为所述负曲率导叶2进水边直径D1的1.0～1.25倍，上环板1与下环板3内圆直径D4为所述负曲率导叶2进水边直径D1的0.7～0.9倍。
所述的导叶2的数量为15-19个。
所述的导叶(2)的迎水面的曲线方程为y＝A1x4+B1x3+C1x2+D1x+E1，其中A1＝-7×10-8～-9×10-8、B1＝3.5×10-5～5.5×10-5、C1＝-6.5×10-5～-8.5×10-5、D1＝2.2×10-1～2.6×10-1、E1＝-9×10-2～-1.3×10-1，背水面的曲线方程为y＝A2x4+B2x3+C2x2+D2x+E2，其中A2＝1.9×10-9～2.3×10-9、B2＝-1.7×10-6～-2.1×10-6、C2＝-9.5×10-4～-1.0×10-3、D2＝2.5×10-1～3.0×10-1、E2＝3.1～3.7，方程中x、y的单位为毫米，且所述导叶(2)的头部迎水面和背水面之间圆滑连接，所述导叶(2)的尾部迎水面和背水面之间折线连接。
所述的负曲率导叶2的进水边直径D1与冷却风扇的风叶转速n之间的关系为： D 1 = K 1 × n 11 × H / n , 其中K1＝1.15-1.25，n11为单位转速，取值介于28～42之间，H为进塔水压(以水柱为单位：m)。
本发明的有益效果：
本发明为冷却塔用水轮机最终省去减速箱奠定了基础，利用本发明设计的座环，完全能满足使用要求，经试验证明，安装了本发明座环的水轮机，其输出转速完全能满足使用要求，且转速的脉动范围较小。
本发明结构简单，安装和使用均十分方便。
本发明针对冷却塔用水轮机的特点，创造性地将单位转速n11从实际应用传统反击式水轮机的不小于80降至28-42之间，同时根据该单位转速确定了影响水轮机效率的关键元件的导叶的曲线方程，经过大量的计算与实验给出了座环尺寸与导叶进水边尺寸D1之间的关系，同时给出了D1与冷却风扇转速之间的关系，为合理设计座环提供了快捷方便的途径。
经过实验证实，只有当单位转速介于28-42之间时确定的导叶进水边尺寸D1确定的座轮的尺寸才能使水轮机的整体效率维持在86％左右，大于42或小于28时，其效率呈直线急剧下级。
附图说明
图1为本发明的座环的立体结构示意图。
图2为本发明座环导叶安装布局示意图。
图3本发明单个导叶曲线方程描述位置图。
图4为本发明导叶的立体结构示意图。
图5为本发明导叶的三视投影图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-5所示。
一种应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机座环，它主要由上环板1、下环板3和安装在上环板1与下环板3之间的导叶2组成，导叶的数量可在15-19个之间，如图1所示。所述的导叶2为负曲率导叶(图3)，所述负曲率导叶2的高度为其进水边直径D1的0.07～0.09倍，长度L为其进水边直径D1的0.16～0.2倍，如图5所示；所述的负曲率导叶2出水边直径D2为其进水边直径D1的0.75～0.95倍；所述上环板1与下环板3外圆直径D3均为所述负曲率导叶2进水边直径D1的1.0～1.25倍，上环板1与下环板3内圆直径D4为所述负曲率导叶2进水边直径D1的0.7～0.9倍，其中，进水边直径D1与冷却风扇的风叶转速n之间的关系为： D 1 = K 1 × n 11 × H / n , 其中K1＝1.15-1.25，n11为单位转速，取值介于28～42之间，H为进塔水压(以水柱为单位：m)，如图2所示。
具体实施时，导叶2的迎水面的曲线方程为y＝A1x4+B1x3+C1x2+D1x+E1，其中A1＝-7×10-8～-9×10-8、B1＝3.5×10-5～5.5×10-5、C1＝-6.5×10-5～-8.5×10-5、D1＝2.2×10-1～2.6×10-1、E1＝-9×10-2～-1.3×10-1，背水面的曲线方程为y＝A2x4+B2x3+C2x2+D2x+E2，其中A2＝1.9×10-9～2.3×10-9、B2＝-1.7×10-6～-2.1×10-6、C2＝-9.5×10-4～-1.0×10-3、D2＝2.5×10-1～3.0×10-1、E2＝3.1～3.7，方程中x、y的单位为毫米，且所述导叶(2)的头部迎水面和背水面之间圆滑连接，所述导叶(2)的尾部迎水面和背水面之间折线连接。
下表是根据上述关系计算的座环的尺寸表：
  序号 D1(m)   D2＝0.85*D1(m)   D3＝1.1*D1(m)   D4＝0.8*D1(m) H(m) K1 n11 n(r/min)   实测效率％
  1   0.732   0.622   0.805   0.585   13   1.2   23   136   60
  2   0.827   0.703   0.910   0.662   13   1.2   26   136   75
  3   0.891   0.757   0.980   0.713   13   1.2   28   136   85.6
  4   0.954   0.811   1.050   0.764   13   1.2   30   136   85.9
  5   1.018   0.865   1.120   0.814   13   1.2   32   136   86.5
  6   1.082   0.919   1.190   0.865   13   1.2   34   136   87
  7   1.145   0.973   1.260   0.916   13   1.2   36   136   86.7
  8   1.209   1.028   1.330   0.967   13   1.2   38   136   86.3
  9   1.273   1.082   1.400   1.018   13   1.2   40   136   86
  10   1.336   1.136   1.470   1.069   13   1.2   42   136   85.6
  11   1.400   1.190   1.540   1.120   13   1.2   44   136   75.3
由上可以看出，只有当单位转速选择在28-42之间时，效率才能满足要求，否则很难达到预期的冷却效果，由于冷却风扇的转速与水轮机效率之间基本呈立方次幂的关系，因此，当效率低于85％时将很难获得理想的转速。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1、一种应用于水动节能冷却塔的直联低速小型混流式水轮机座环，它主要由上环板(1)、下环板(3)和安装在上环板(1)与下环板(3)之间的导叶(2)组成，其特征是所述的导叶(2)为负曲率导叶，所述负曲率导叶(2)的高度为其进水边直径D1的0.07～0.09倍，长度L为其进水边直径D1的0.16～0.2倍；所述的负曲率导叶(2)出水边直径D2为其进水边直径D1的0.75～0.95倍；所述上环板(1)与下环板(3)外圆直径D3均为所述负曲率导叶(2)进水边直径D1的1.0～1.25倍，上环板(1)与下环板(3)内圆直径D4为所述负曲率导叶(2)进水边直径D1的0.7～0.9倍。
2、根据权利要求1所述的座环，其特征是所述的导叶(2)的数量为15-19个。
3、根据权利要求1所述的座环，其特征是所述的导叶(2)的迎水面的曲线方程为y＝A1x4+B1x3+C1x2+D1x+E1，其中A1＝-7×10-8～-9×10-8、B1＝3.5×10-5～5.5×10-5、C1＝-6.5×10-5～-8.5×10-5、D1＝2.2×10-1～2.6×10-1、E1＝-9×10-2～-1.3×10-1，背水面的曲线方程为y＝A2x4+B2x3+C2x2+D2x+E2，其中A2＝1.9×10-9～2.3×10-9、B2＝-1.7×10-6～-2.1×10-6、C2＝-9.5×10-4～-1.0×10-3、D2＝2.5×10-1～3.0×10-1、E2＝3.1～3.7，方程中x、y的单位为毫米，且所述导叶(2)的头部迎水面和背水面之间圆滑连接，所述导叶(2)的尾部迎水面和背水面之间折线连接。
4、根据权利要求1所述的座环，其特征是所述的负曲率导叶(2)的进水边直径D1与冷却风扇的风叶转速n之间的关系为： D 1 = K 1 × n 11 × H / n ，其中K1＝1.15～1.25，n11为单位转速，取值介于28～42之间，H为进塔水压，以m为单位。
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